DE3217226A1 - Device for changing and blending the intensity distribution of a power-laser radiation beam - Google Patents
Device for changing and blending the intensity distribution of a power-laser radiation beamInfo
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Description
Centro Ricerche El^t:"St.ρtAr* ;--- .·\ .·»„ P 1449-DECentro Ricerche El ^ t: "St.ρ t Ar *; --- . · \ . ·» "P 1449-DE
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Beschreibungdescription
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Veränderung und Vergleichmäßigung der Intensitätsverteilung eines Leistungslaserstrahlungsbündels.The invention relates to a device for changing and equalizing the intensity distribution of a power laser beam.
Es ist bekannt, daß die ungleichmäßige Intensitätsverteilung eines Laserstrahlungsbündels einen ernsthaften Nachteil für mögliche industrielle Anwendungen auf dem Gebiet der Wärmebehandlungen darstellt. Wenn man beispielsweise das Härten von Stählen oder Gußeisen betrachtet, so stellt man fest, daß ein wesentliches Erfordernis darin besteht, eine Oberflächentemperatur für das Metall zu erreichen, die sehr nahe an der Schmelztemperatur liegt; im einzelnen müssen die einer Laser-Behandlung unterworfenen Bereiche eine gleichförmige Temperaturverteilung aufweisen, weil selbst kleine lokale Schwankungen einen unerwünschte ten Härtewert oder sogar ein unerwünschtes Anschmelzen des Materials bewirken können. Da diese Temperaturschwankungen eine Folge des Fehlens einer gleichmäßigen räumlichen Verteilung der Intensität des auf das Material einwirkenden Laserstrahlungsbündels sind, ist es extrem wichtig, ein Laserstrahlungsbündel gleichmäßiger Intensität zur Verfügung zu haben. Da es nicht möglich ist, auf die Quelle einzuwirken, die das Leistungslaserstrahlungsbündel abgibt, wurden bereits verschiedene Vorrichtungen vorgesehen, .die darauf. abzielen,die Intensitätsverteilung des Laserstrahlungsbündels gleichmäßig zu machen, bevor dieses auf das der Behandlung zu unterwerfende Material auftrifft.It is known that the uneven intensity distribution of a laser beam is serious This is a disadvantage for possible industrial applications in the field of heat treatments. For example, if you considering the hardening of steels or cast iron, it is found that an essential requirement therein consists in achieving a surface temperature for the metal which is very close to the melting temperature; in the individual areas subjected to laser treatment must have a uniform temperature distribution, because even small local fluctuations have an undesirable hardness value or even undesirable melting of the material. Since these temperature fluctuations are a result of the lack of a uniform spatial distribution of the intensity of the laser radiation beam acting on the material, it is extremely important to have a laser beam of uniform intensity available. Since it is not possible to act on the source that emits the power laser beam, various devices have already been provided, .the on it. aiming the intensity distribution of the laser radiation beam to make uniform before this hits the material to be subjected to treatment.
Eine erste Vorrichtung, die etwas einfach in ihrem Aufbau ist, umfaßt im wesentlichen eine Sammellinse, wobei das zu behandelnde Teil außerhalb des Brennpunkts oder im Brennpunkt der Linse angeordnet wird; in letzterem Fall ist die Linse.langbrennweitigen Typs. Die Vorrichtung dieses Typs erlaubteine wirtschaf ti ic he Einwirkung auf das Laserstrahlungsbündel, die gewonnene Intensitätsverteilung hängt jedoch weiterhin von Form und Stabilität des von der Emi-A first device, which is somewhat simple in construction, essentially comprises a converging lens, wherein the part to be treated is placed out of focus or in the focus of the lens; in the latter case is the lens of the long focal length type. The device of this Type allows an economic effect on the laser beam, the intensity distribution obtained, however, still depends on the shape and stability of the
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sionsquelle koitunenden Laserstrahlungsbündels ab, so daß die Vorrichtung hinsichtlich ihres praktischen Einsatzes äußerst kritisch ist.sion source coitunenden laser radiation beam, so that the Device is extremely critical in terms of its practical use.
Eine zweite vielfach benutzte Vorrichtung umfaßt im wesentlichen zwei Schwingspiegel, die im Laserstrahlengang angeordnet und im allgemeinen innerhalb der optischen Fokussiervorrichtung verteilt sind. Im einzelnen werden diese Spiegel in zueinander senkrechten Richtungen in Schwingungen versetzt und gestatten die Gewinnung eines Ausgangsbündels, dessen Querschnittsgröße einstellbar ist.A second, widely used device essentially comprises two oscillating mirrors which are located in the laser beam path arranged and distributed generally within the optical focusing device. In detail will be these mirrors vibrate in mutually perpendicular directions and allow an output beam to be obtained, whose cross-sectional size is adjustable.
Diese Vorrichtungen ermöglichen auch eine Verbesserung der Gleichmäßigkeit des Intensitätsprofils dieses abgehenden Laserstxahlungsbündels in.Bezug auf das durch die Quelle erzeugte Bündel, dieses Profil hat jedoch weiterhin zwei unerwünschte Spitzen an seinen Enden.These devices also make it possible to improve the uniformity of the intensity profile of this outgoing Laser radiation beam in relation to the beam generated by the source, but this profile still has two unwanted peaks at its ends.
Eine dritte bekannte Vorrichtung umfaßt im wesentlichen einen gekrümmten Integratorspiegel, der im wesentlichen die Wellenfront des einfallenden Laserbündels in eine Anzahl von reflektierten Sekundärbündeln unterteilt und 0 so dimensioniert ist, daß er alle diese Sekundärbündel auf einen einzigen Oberflächenbereich des zu behandelnden Teils lenkt. Dieser Integratorspiegel wird im wesentlichen ausgebildet, indem eine Anzahl von Facetten auf einem Kupferspiegel, beispielsweise mittels eines Diamantwerkzeugs, vorgesehen werden oder indem auf einem Kupfersubstrat eine Anzahl kleiner, ebener, quadratischer reflektierender Teile, beispielsweise aus Molybdän, befestigt wird. Der mittels eines Diamantwerkzeugs gewonnene Spiegel ist im wesentlichen weniger kostspielig, das mit einem solchen Spiegel gewonnene Intensitätsprofil des Laserstrahlbündels weist jedoch ausgeprägte, regelmäßig verteilte Spitzen auf, die auf Interferenz und Beugung infolge des typischen Oberflächenaufbaus des Spiegels selbst zurückgehen. Der mittels kleiner, reflektierender quadratischer Teile aus Molybdän aufgebaut« Spiegel hat neben seinem sehr hohenA third known device essentially comprises a curved integrator mirror which is essentially divides the wavefront of the incident laser beam into a number of reflected secondary beams and 0 is dimensioned so that all these secondary bundles are on a single surface area of the part to be treated directs. This integrator mirror is essentially formed by a number of facets on a copper mirror, for example by means of a diamond tool, or by a Number of small, flat, square reflective parts, made of molybdenum, for example. The mirror obtained by means of a diamond tool is essentially less expensive, the intensity profile of the laser beam obtained with such a mirror however, has pronounced, regularly distributed peaks that indicate interference and diffraction as a result of the typical The surface build-up of the mirror itself will decrease. Of the Constructed from molybdenum using small, reflective square parts «Mirror has, in addition to its very high
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Preis Nachteile, die sich jedesmal zeigen, wenn es notwendig ist, die quadratischen Teile wegen des Staubs, der leicht in die Zwischenräume zwischen den kleinen quadratischen Teilen eindringen kann, zu säubern. Ferner ist es besonders schwierig, ein wirksames Kühlsystem für diesen Spiegel vorzusehen. Price disadvantages that show up every time it is necessary to remove the square parts because of the dust that can easily get in to clean the gaps between the small square parts. It is also special difficult to provide an effective cooling system for this mirror.
Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Vorrichtung, die in der Lage ist, die'Intensitätsverteilung eines Leistungslaser Strahlungsbündels zu verändern und insbesondere zu vergleichförmigen, ohne daß sie die Nachteile der erwähnten bekannten Vorrichtungen hat.The object of the invention is to provide a device which is able to control the intensity distribution of a Power laser radiation beam to change and in particular to comparable, without having the disadvantages of the known devices mentioned.
Diese Aufgabe wird nach der Erfindung, die eine Vorrichtung zur Veränderung und Vergleichmäßigung der Intensitätsverteilung eines ersten Leistungslaserstrahlungsbünddels vorsieht, dadurch gelöst, daß sie einen Manipulationsabschnitt umfaßt, der mit einer Anzahl von rotierenden Spiegeln versehen ist, welche das erste Strahlungsbündel reflektieren und am Ausgang des Abschnittes ein zweites Strahlungsbündel erzeugen, das im wesentlichen die gleiche räumliche Intensitätsverteilung aufweist wie das erste Bündel, jedoch um seine eigene Symmetrieachse in Ausbreitungsrichtung/ die Bündelachse>rotiert.According to the invention, this object is provided by a device for changing and equalizing the intensity distribution of a first power laser beam provides, achieved in that it comprises a manipulation section with a number of rotating Mirrors are provided which reflect the first radiation beam and a second at the exit of the section Generate radiation beam which has essentially the same spatial intensity distribution as the first Bundle, but around its own axis of symmetry in the direction of propagation / the bundle axis> rotates.
Eine Ausführungsform der Erfindung wird im folgenden in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung beschrieben.An embodiment of the invention is described below in conjunction with the accompanying drawing.
Auf dieser istOn this one is
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung gemäß der Erfindung,Fig. 1 is a schematic representation of a device according to the invention,
Fig. 2 eine Schnittansicht, welche eine typische Verteilung eines Laserstrahlungsbündels am Eingang der Vorrichtung der Fig. 1 zeigt, undFig. 2 is a sectional view showing a typical distribution of a laser radiation beam at the entrance of the Device of Fig. 1 shows, and
Fig. 3 eine schematische Darstellung der typischen Verteilung eines Laserstrahlungsbündels am Ausgang der3 shows a schematic representation of the typical distribution of a laser radiation beam at the exit of the
Vorrichtuna der Fia. 1.Fia. 1.
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In Fig. 1 bezeichnet 10 allgemein eine Vorrichtung gemäß der Erfindung, mit der in der weiter unten beschriebenen Weise auf ein mit Ln bezeichnetes Laserstrahlungsbündel/ das durch eine nicht gezeigte Laser-Quelle erzeugt wird, eingewirkt wird. Im einzelnen umfaßt die Vorrichtung 10 einen Abschnitt 11 zur Vergleichmäßigung der Intensitätsverteilung des Bündels L0, wobei man an seinem Ausgang ein Laserstrahlungsbündel L1 erhält, und einen Abschnitt 12, dessen Zweck es ist, die Weite des Querschnitts des Bündels L1 so zu verändern, daß ein mit L2 bezeichnetes Laserstrahlungsbündel entsteht. Zweckmäßigerweise ist der Abschnitt 11 vorzugsweise innerhalb eines (nicht gezeigten) optischen Systems angeordnet, daß zur Fokussierung des Bündels L„ vorgesehen ist.In FIG. 1, 10 generally designates a device according to the invention, with which, in the manner described below, a laser radiation beam, denoted L n , is acted upon, which is generated by a laser source (not shown). Specifically, the device 10 comprises a section 11 for equalizing the intensity distribution of the beam L 0 , a laser radiation beam L 1 being obtained at its exit, and a section 12, the purpose of which is to vary the width of the cross-section of the beam L 1 that a laser beam designated L 2 is produced. The section 11 is expediently arranged within an optical system (not shown) that is provided for focusing the bundle L ".
Im einzelnen umfaßt Abschnitt 11 gemäß der Erfindung im wesentlichen drei Spiegel 14, 15, 16, deren Winkellage in einer nicht gezeigten Weise feinjustierbar ist. Zweckmäßigerweise beträgt der durch die reflektierenden Flächen der Spiegel 14 und 16 gebildete Winkel 120°; auf diese Weise wird das Laserstrahlungsbündel Ln durch den Eingangsspiegel 14 auf den Zwischenspiegel 15 und durch diesen auf den Ausgangsspiegel 16 reflektiert, von welchem es dann so reflektiert wird, daß das Bündel L1 entsteht, das sich in der gleichen Richtung wie das einfallende Bündel L0 ausbreitet. Vorzugsweise besteht jeder Spiegel 14, 15, 16 aus Kupfer und wird mittels eines nicht gezeigten Wasserkühlsystems gekühlt. Die Spiegel 14, 15, 16 sind mit einem, zweckmäßigerweise zylindrisch geformten, Trägerkörper 18 verbunden, der mit einer bestimmten Winkelgeschwindigkeit, beispielsweise 3000 Umdrehungen/Min., und um eine Achse, die durch eine die Bündel Ln und L1 verbindende gedachte Linie definiert ist, in Umdrehung versetzt wird. Im einzelnen wird der Trägerkörper 18 durch einen Motor 19 in Umdrehung versetzt, der ein Ritzel 20 aufweist, welches über ein Zahnrad 21 ein Zahnrad 22 erfaßt, das winkel-In detail, section 11 according to the invention essentially comprises three mirrors 14, 15, 16, the angular position of which can be finely adjusted in a manner not shown. The angle formed by the reflective surfaces of the mirrors 14 and 16 is expediently 120 °; In this way, the laser radiation beam L n is reflected through the input mirror 14 onto the intermediate mirror 15 and through this onto the output mirror 16, from which it is then reflected in such a way that the beam L 1 arises which is in the same direction as the incident beam L 0 spreads. Each mirror 14, 15, 16 is preferably made of copper and is cooled by means of a water cooling system (not shown). The mirrors 14, 15, 16 are provided with a, suitably cylindrically shaped support body 18 is connected, the determined an angular velocity, for example, 3000 rev / min., And about an axis n through the bundles L and L 1 are linking imaginary line is defined, is set in rotation. In detail, the carrier body 18 is set in rotation by a motor 19, which has a pinion 20, which detects a gear 22 via a gear 21, the angular
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mäßig festliegend mit dem Körper 18 gekoppelt ist.is coupled to the body 18 in a moderately fixed manner.
Der Abschnitt 12 der Vorrichtung 10 umfaßt zwei Spiegel 24, 25/ die beide mittels einer nicht gezeigten Einrichtung in zueinander senkrechten Ebenen und in einstellbarer Weise in Schwingung versetzt werden. Auf diese Weise ist es möglich, ein Ausgangsbündel L~ mit einem Querschnitt zu erhalten, dessen Abmessungen durch Einstellung der Schwingungsamplitude der Spiegel einstellbar ist.The section 12 of the device 10 comprises two mirrors 24, 25 / both by means of a device not shown be set in vibration in mutually perpendicular planes and in an adjustable manner. In this way it is possible to obtain an output bundle L ~ with a cross-section whose dimensions are adjusted by setting the oscillation amplitude of the mirror is adjustable.
In Fig. 2 ist in Unterfig. 2a als Beispiel ein Querschnitt des Bündels L_ gezeigt. In diesem Querschnitt bezeichnet 27 eine Anzahl von Strahlen, denen jeweils eine mittlere Strahlungs- bzw. Leuchtdichte I zugeordnet ist, während 28 und 29 Gruppen von Laserbündeln bezeichnen, deren Intensitäten I und I- höher bzw. niedriger als der genannte Wert I sind. Unterfig. 2b zeigt das Verhalten der Intensität (I~) des Laserbündels L», wie es bezüglich einer bestimmten Schnittebene, wie sie in Unterfig. 2a gezeigt ist, erhalten wird, wobei die Linie, längs der gemessen wird, durch die mit χ bezeichnete Linie gegeben ist. Analog zu dem, was unter Bezugnahme auf Fig. 2 beschrieben wurde, ist in Unterfig. 3a ein Querschnitt des Bündels L1 und in Unterfig. 3b das mittlere Verhalten der Intensität (I1) des Laserbündels L1 während einer vollen Umdrehung des Trägerkörpers 18 der Spiegel 14, 15 und 16 gezeigt. In Fig. 2 is in Unterfig. 2a shows a cross section of the bundle L_ as an example. In this cross-section, 27 denotes a number of beams, each of which is assigned a mean radiation or luminance I, while 28 and 29 denote groups of laser beams whose intensities I and I - are higher and lower than the stated value I, respectively. Subfig. 2b shows the behavior of the intensity (I ~) of the laser beam L », as it is with respect to a certain cutting plane, as shown in Unterfig. 2a, is obtained, the line along which measurement is made being given by the line denoted by χ. Analogous to what was described with reference to FIG. 2, in Unterfig. 3a shows a cross section of the bundle L 1 and in Unterfig. 3b shows the mean behavior of the intensity (I 1 ) of the laser beam L 1 during a full revolution of the support body 18 of the mirrors 14, 15 and 16.
Die Arbeitsweise der Vorrichtung 10 wird nun unter getrennter Betrachtung des Verhaltens der Abschnitte 11 und 12 beschrieben.The mode of operation of the device 10 will now be described with separate consideration of the behavior of the sections 11 and 12.
Was den Abschnitt 11 anbelangt, so bewirkt die Drehung des Trägerkörpers 18 um die genannte Achse und mit einer bestimmten Winkelgeschwindigkeit durch die kombinierte Reflexion der Spiegel 14, 15, 16 im Bündel L_. eine Drehung mit der doppelten Winkelgeschwindigkeit um seine eigene Ausbreitungsrichtung. Auf diese Weise werden nun, wie in Unterfig. 3a angedeutet, sowohl die Strahlen 27 alsAs for the section 11, it causes the rotation of the support body 18 about said axis and at a certain angular velocity through the combined Reflection of the mirrors 14, 15, 16 in the bundle L_. a rotation at twice the angular velocity around its own direction of propagation. In this way, as in Unterfig. 3a indicated, both the rays 27 as
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auch die Gruppen 28 und 2 9 von Laserbündeln um die Bündelachse in Umdrehung versetzt, was die Ausgabe des genannten Bündels L1 bewirkt. Da im Rahmen einer Umdrehung in guter Näherung angenommen werden kann, daß sich die verschiedenen Anteile I+ und I_, die jeweils größer oder kleiner als der Wert I sind, in der Intensität des Laserbündels im wesentliehen kompensieren, ist die mittlere Intensitätsverteilung des Bündels L1 gleichmäßig.also the groups 28 and 29 of laser bundles are set in rotation about the bundle axis, which causes the output of said bundle L 1 . Since it can be assumed to a good approximation that the various components I + and I_, which are each greater or less than the value I, essentially compensate each other in the intensity of the laser beam, the mean intensity distribution of the beam is L 1 evenly.
Abschnitt 12 dient stattdessen zur Steuerung der Bündelweite. Zu diesem Zweck ist es ausreichend, die Schwingungsamplitude der Spiegel 24 und 25 so einzustellen, daß man die gewünschte Querschnittsform für das Bündel L„ erhält.Instead, section 12 is used to control the bundle width. For this purpose it is sufficient to use the Adjust the oscillation amplitude of the mirrors 24 and 25 so that the desired cross-sectional shape for the bundle L " receives.
Aus der Analyse der Eigenschaften der Erfindung ist erkennbar, daß die Vorrichtung 10 eine Überwindung derFrom the analysis of the properties of the invention it can be seen that the device 10 overcomes the
Nachteile der erwähnten bekannten Vorrichtungen gestattet. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist verhältnismäßig einfach im Aufbau, erfordert keine komplizierte Wartung und vergleichmäßigt die Verteilung des Laserbündels in einer für die Verwendung der Vorrichtung bei Wärmebehandlungen der genannten Art geeigneteren Weise.Disadvantages of the known devices mentioned allowed. The device according to the invention is proportionate simple in construction, does not require complicated maintenance and uniforms the distribution of the laser beam in a manner more suitable for the use of the device in heat treatments of the type mentioned.
Schließlich liegt auf der Hand, daß Abwandlungen der Vorrichtung 10 im Rahmen der Erfindung möglich sind.Finally, it is obvious that modifications of the device 10 are possible within the scope of the invention.
Beispielsweise kann der Zwischenspiegel 15 ringförmig aufgebaut sein, in welchem Fall es dann ausreichen würde, daß der Trägerkörper 18 nur die Spiegel 14 und 16 im Umdrehung versetzt. Auf diese Weise ergäbe sich neben dem Vorliegen einer geringeren drehenden Masse, damit einem geringeren Trägheitsmoment und folglich einer Verminderung der auf die jeweiligen Träger übertragenen mechanischen Belastungen, die Möglichkeit einer Vereinfachung des Kühlsystems des neuen Spiegels 15.For example, the intermediate mirror 15 can be constructed in the shape of a ring, in which case it would then be sufficient that the support body 18 only the mirrors 14 and 16 in rotation offset. In this way, in addition to the presence of a lower rotating mass, there would also be a result a lower moment of inertia and consequently a reduction in that transmitted to the respective carriers mechanical loads, the possibility of simplifying the cooling system of the new mirror 15.
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